河南理工大学
毕业设计（论文）任务书
专业班级学生姓名
一、题目
二、起止日期年月日至年月日
三、主要任务与要求
指导教师职称
学院领导签字
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评阅人评语
题目
评阅人职称
工作单位
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评定书
题目
指导教师职称
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩许可证
答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：
1、设计（论文）说明共页
2、图纸共张
3、指导教师意见共页
4、评阅人意见共页
经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）
年月日
根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
学院专业班同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
三、答辩组组长签名：
答辩组成员签名：
答辩委员会主席：签字（盖章）
年月日
基于51单片机的输液监控系统设计
摘要
针对目前我国大部分医院在对病人进行静脉输液治疗是医护人员监护任务繁重的问题，设计了一套面向所有大中小医院和诊所的医院输液监控系统。本系统以PC为上位机作为整个系统的控制监控中心，用单片机AT89S52为核心作为下位机通过光电传感器对吊瓶的液位进行检测及报警，并对滴速进行精确地检测,并将报警信号通过无线传输送给总机，总机也实现报警，并与上位机通讯。总机与上位机连接放在护士工作站，上位机与总机用串口线进行通信。上位机利用Visual Basic建立可视化友好界面并对各控件进行编程，使医护人员实时了解输液状态。论述了该系统的检测原理、总体结构、主要功能部件设计和软硬件系统的组成。该系统低功耗、成本低、性能稳定、便于携带、实用性强。
关键词：输液监控；51单片机；串行通讯；无线传输
INFUSION OF MONITORING SYSTEM DESIGN
BASED ON 51 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER
ABSTRACT
Aiming at the most of our carry on transfusion to the patients currently and then designed a set of system which is called fluid infusion supervision system .It is faced to all the examine the speed of lose a liquid accurately, and send alarm signal to the operator by wireless transmission. The operator also realize the alarm signal, and communicate with PC. The operator and PC connection is used on the nurse workstation, and they communicate with a serial port line. PC use Visual Basic to build up friendly visual interface and the control program .It can make the nurses know the status of loses liquid while patients take the personnel solid. This topic discusses the constituting of examination principle, total structure and main function parts design and the constitution of software and and easy to take and the function is strong.
KEYWORDS: Supervision of transfusion; 51 single chip microcomputer; Signal communication; Wireless transmission
目录
摘要................................................................. I
ABSTRACT.............................................................. II 1 绪论.. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外研究现状及发展趋势 (1)
1.3 主要研究内容 (3)
2. 系统总体结构设计 (4)
2.1 主要内容、功能及技术指标 (4)
2.2 系统总体结构设计 (4)
2.3 方案论证与比较 (5)
2.3.1 液滴检测方案选择 (5)
2.3.2 通信方式选择 (6)
3 硬件系统设计 (6)
3．1 硬件框图 (6)
3.2 数码显示电路 (10)
3.3 液滴液位检测电路 (11)
3.3.1 液位检测原理 (12)
3.3.2 滴速检测原理 (13)
3.3.3 红外对管 (15)
3.3.4 电压比较器 (16)
3.4 声光报警电路 (17)
3.5 无线模块电路 (18)
4 软件系统设计 (22)
4.1 下位机软件设计 (22)
4.1.1 开发环境 (22)
4.1.2 软件设计流程图 (23)
4.1.2.1 滴速检测模块 (25)
4.1.2.2 显示及报警模块 (27)
4.1.2.3 无线通讯模块 (28)
4.2 上位机软件设计 (29)
4.2.1 上位机软件开发环境 (29)
4.2.2 登陆界面设计 (30)
4.2.3 监控界面设计 (31)
4.2.4 软件设计 (32)
4.3 系统调试中出现的问题 (38)
5 结论与展望 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
附录 (43)
附录1 原理图 (43)
附录2 实物图 (45)
1 绪论
1.1 课题背景
改革开放以来，随着国际交流的进一步增强和国家支持力度的不断加大，我国医疗器械行业迅猛发展令世界刮目相看。资料显示，从2000年到2009年10年时间，中国医疗器械的总量相当于以前的6倍，2005年，除了美国和日本之外，中国已跃居世界第三。06和07年，中国医疗器械进出口额都超过百亿美元[1]。近几十年来，中国经济迅速发展，人民生活水平大大提高，人们对医疗保健的重视程度愈来愈强，这样促进医院及家庭对医疗设备的需求快速增加，致使国内投入研究医疗器械行业的企业不断增多，研究人员不断壮大，医疗产品不断丰富，产品功能越来越多，质量越来越好，中国医疗器械正不断走向全世界。
静脉输液是利用大气压和液体静压原理将生理盐水、葡萄糖等药液由静脉输入病人体内的方法。在临床治疗方面起到无可替代的作用。它的主要特色是给药迅速、见效快，及时抢救了无数患者的宝贵生命。静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构没有实现输液的自动监控管理，从而在输液过程中，当输液完成需要换药时，需要医务人员发现及时，否则就会出现空气进入血管内形成空气栓赛，凝血堵塞针头等情况，轻则延误治疗，重则会危及病人生命安全，发生医疗事故。平时临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，从而加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理。
随着电子技术的发展，结合临床实践，可以开发基于单片机的医院输液监控系统来代替人工监护，即减轻医务人员的工作强度及病人和医务人员不断观察输液是否完成而形成的压力，同时管理系统记录输液过程，并能够作为医疗档案，为解决各种医患纠纷提供证据，又实现医疗护理自动化和智能化。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
输液在国内具有巨大的市场规模与市场容量。2002年，我国输液销售总量为 60亿瓶，销售总额超过 500亿元。据分析，我国输液的总体市场潜量高达 120亿瓶。在如此大的输液市场下，医院进行输液用药治疗时，对患者输液进度的监控，普遍由患者、陪护人员或医务人员来进行。一方面影响病人休息和治疗，也给医护人员的高效工作带来了诸多不便。实时输液监控已成为现代医疗中必需的一部分。
鉴于目前输液过程中存在这样那样的安全隐患，且在输液过程中存在耗费人力较大等问题，迫切需要对目前输液状况进行改进，近几十年来，国内外一些专家争相研究，输液监控系统一直在不断改进，目前已取得不小成就，其发展主要经历以下几个阶段：机械式输液监视阶段：
该方法是在输液瓶上方挂一只弹簧秤，根据输液过程中瓶中药液逐渐减少，导致弹簧伸缩变形，由此计算出剩余液面的当前位置，于向英等利用这种方法对输液监控过程进行了多次试验，结果证明误差较大，这是因为输液瓶容积规格大小不同，且输液液体密度不同等多种原因导致的，所以说机械式输液监控设备可行性较差，未能得到发展。
电容式液位监视阶段：
输液过程中，药液液位不断下降引起电容变化，从而根据电容的特性对剩余药量进行估计的。这种设计思想具有一定的可取性，系统能够起到一定的监控作用，但是由于输液过程中涉及瓶子体积不均问题，且电容不能像电阻那样是可以随便调节，一旦焊接固定了就不可改动，需要设计多种规格的电路，实际应用起来太繁琐，并不能真正推广开来。
电极式输液监视阶段：
电极式监控方法是把两电极插入到输液管的莫菲氏管中，液滴下落时由于受到晃动，电极还会产生一定的极性反应，并发出相应信号，由此计算出当前液体滴速，然后计算出剩余药液体积变化，这种设计方法相对简单易行，可靠性好，但是两电极直接放入滴管中。难免与下落液滴接触，这样会对药液造成污染，不符合药品安全规范，所以并不能投入实际应用。
光电式输液监视阶段：
光电传感器能够将可见光转换为某种电路，它包括发送端和接收端，使用时将其水平放在莫菲式管两边即可，传感器发送端一般对外界光强变化较为敏感，产生反应，并把相应反应发送出去，接受传感器接受相应变化，把接受到的电流信号转化为放大的电压信号，传给后面电路进行数据处理，从而可以计算出当前滴速，并可计算剩余体积，由于光电传感器不与液体直接接触，它以不污染药液、安全、可靠等多方面的优点得到了广泛支持，目前的输液监控设备多采用这种方法。
国外对智能输液监控系统也有诸多研究，相对较早，在20世纪80年代末就开始有研究了。德国、韩国、美国、日本等发达国家都进行了输液监控设备的研究，目前主要对输液泵的研究有了很大的成就，例如日本TOP(托普)公司研制的输液泵TOP．2200及TOP．3300，它们能够准确控制输液滴数及输液速度，保证药物能够匀速、无菌地进入
病人体内。输液泵对于重症病人及某些婴幼儿患者进行监控是非常必要的，对病人的治疗起到了很好的帮助作用。SM--2100输液泵是韩国JONGSANG公司产品，不同于以往的输液方式，是一种集光、机电于一体化的智能化输液监控设备。同时，输液泵的功能相当齐全。操作较方便，大大减轻工作人员负担，是患者可以放心选择的安全设备。但是输液泵价格普遍比较昂贵，在两万元人民币左右，其应用在一些发达国家医院较为常见[2]，而在国内医院还鲜有应用。目前我国只有几所大医院才有购买配备，国内使用范围相当狭窄。
1.3 主要研究内容
课题主要研究系统结构设计，采用主从式结构，输液过程中液位的检测、滴速的检测显示与控制，报警系统的设计，通信系统的设计，传感器及各种器件的选择与计算等。该课题以PC为上位机作为整个系统的控制监控中心，用单片机AT89S52为核心作为下位机通过光电传感器对吊瓶的液位进行检测及报警，并对滴速进行精确地检测,并将报警信号通过无线传输送给总机，总机也实现报警，并与上位机通讯。总机与上位机连接放在护士工作站，上位机与总机用串口线进行通信。上位机利用Visual Basic建立可视化友好界面并对各控件进行编程，使医护人员实时了解输液状态。
本文分为六章：
第一章绪论部分介绍了课题背景，输液监控系统国内外研究现状及本文的主要研究内容。
第二章首先给出了系统设计基本要求，论证了系统总体结构设计，并通过方案论证与比较，综合选出最优方案。
第三章对硬件电路进行了具体设计，给出了硬件框图，并对各模块进行了详细分析。
第四章对软件设计进行了分析，给出了下、上位机主程序流程图，并对各模块进行了分析，最后进行调试，给出了调试过程中出现的问题。
第五章是对该论文的总结与展望。
2. 系统总体结构设计
根据医院的床位和护理要求，本系统的基本思想是操作的集中化和控制的分散化，即采用分布式控制系统。通过高速的数据通信，把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作。
2.1 主要内容、功能及技术指标
（1）通过串行通信方式构成主从式结构， PC作为主机通过总机收集各从站的实时信息，从机将各种实时信号送给总机以便实时监控和记录。
（2）从机由单片机构成，完成对某一输液控制过程的监控。包括：光电传感器、脉冲整形电路、数码管显示电路、声光报警电路等。
2.2 系统总体结构设计
该输液监控系统由主站和从站两部分组成：第一部分是由计算机PC和实时监控软件组成的上位机（即主站监控中心）管理监控系统。第二部分是以单片机 AT89S52为核心及其外围设备构成的智能检测和控制系统。主控 PC机作为上位机用于监控所有的输液终端输液情况，输液监控终端所检测到的报警数据通过无线传输给总机，总机通过串口总线传送给主控 PC机，完成系统功能。当吊瓶中的液体低于设定值时，系统自动发出报警信号，提醒医护人员进行相关处理。单片机系统能够完成输液滴速的监测与显示。其分布图如图2-1所示：
系统硬件与软件要做统一规划，一种功能既可以有软件实现，也可由硬件实现。要根据系统实时性与价格比进行综合考虑，输液监控系统分为硬件，软件两部分：硬件部分主要是病人端的液位、滴速的检测、报警与显示及数据的发送，护士端的接受，报警；软件部分主要是单片机下位机、总机程序及PC上位机程序。其框图如图2-2所示：
图2-1 输液监控系统分布图
图2-2 系统框图
2.3 方案论证与比较
2.3.1 液滴检测方案选择
方案一：用压力传感器进行测量的方法。压电传感器主要利用压电效应而造成的，在输液瓶的下方加一个压力传感器，通过压力大小变化来判断是否有药液滴下，压力传感器具有价格低、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。但在本设计中却不易实现，结果误差较大。
方案二：采用红外对管检测，红外对管是一种利用红外线为介质的测量系统，具体用法是把对管放在莫菲式管两侧，红外发送管对光的敏感性较强，当有液滴下落时使发送管接受到某种红外线后会发生明显变化进而发送信息，红外接收管接收到微弱信号，经放大并进行电压比较后再经整形处理传送给单片机，计算出液滴速度。近几十年来，红外传感器以优越的价格及优良的性能得到广大电子爱好者的青睐，广泛应用在工业、农业、医疗等各大行业之中。
本设计采用方案二。
2.3.2 通信方式选择
方案一：采用有线方式：借助双绞线、同轴电缆等可进行点到点或点到多点的通信方式，其突出优点是保密性好、可靠性高、抗干扰性能强；但有线通信扩展性能差、布线相当麻烦、成本较高。由于有线通信是把很多线缆埋在地下，时间久了，线路容易腐化或遭到侵蚀，影响通信质量。
方案二：采用无线方式：无线通信是相对有线通信而言的，免去了布线的麻烦，即利用电磁场电磁波在空间中自由传播的特征，进行信息交换的一种通信方式。无线通信具有成本低廉、扩展性好、适应性好等优点。无线通信具有一定的移动性，只需在终端架设天线或连接到电台即可，无需浪费大量人力物力去架设电线杆或挖沟埋线缆；无线通信几乎不受地理环境限制，特别是在湖泊、山区等恶劣环境中使用非常方便。有广泛的适应性。考虑到医院里病房很多，所以用有线很不方便。本设计采用方案二。
3 硬件系统设计
3．1 硬件框图
下位机电路在整个设计中占主导地位，是以AT89S2为主芯片，辅以传感器检测电路、数码管显示电路、声光报警电路、无线传输电路等外围电路共同组成的，下位机部分电路主要功能是实现液滴、液位检测，采集信号并通过无线模块发送出去[3]。发送电路硬件框图如图3-1所示
图3-1 下位机部分电路硬件框图
本系统采用的单片机主芯片AT89S52为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
AT89S52主要功能列举如下：
1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash
2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）
3、内部程序存储器（ROM）为 8KB
4、内部数据存储器（RAM）为 256字节
5、32 个可编程IO 口线
6、8 个中断向量源
7、三个 16 位定时器计数器
8、三级加密程序存储器
9、全双工UART串行通道
AT89S52各引脚功能介绍如图3-2：
图3-2 单片机引脚图
VCC： AT89S52电源正端输入，接+5V。
VSS：电源地端。
XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EAVpp："EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM 中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。
ALEPROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的16，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM
与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。
PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个IO端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做IO用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。
PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向IO端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般IO端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做IO来使用了。
PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向IO端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。
PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向IO端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。
其引脚分配如下：
P3.0：RXD，串行通信输入。
P3.1：TXD，串行通信输出。
P3.2：INT0，外部中断0输入。
P3.3：INT1，外部中断1输入。
P3.4：T0，计时计数器0输入。
P3.5：T1，计时计数器1输入。
P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。
P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALEPROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期
输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的16。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EAVPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
3.2 数码显示电路
显示电路主要是用来显示滴速的，液滴滴速显示一是为了方便护士给病人挂水时调节滴速，防止只凭经验调速不准而造成医疗隐患；二是为了方便护士巡房，使其服务更加准确、高效。
由于输液时滴速的正常范围一般规定是在30到150滴每分钟，所以数码管选用三位即可，本设计选用的是四位(四位数码管用三个即可)联体的共阴极七段数码管进行动态显示的，共12个引脚，其中8个引脚连接数码管的8个段，其余3个tom引脚分别驱动个位、十位、百位数码管显示，其显示电路如图3-3所示：
图3-3 数码显示电路
3.3 液滴液位检测电路
液滴液位检测电路是本设计的重中之重，如果滴速计算不准，将带来很大的麻烦。液位检测不准，报警不准会造成护士手忙脚乱，失去智能监控的作用。检测电路是把对管放在滴管两侧，对液滴速度进行测量。发送管对光比较敏感，光反应后发出模拟信号，接收管接收后经电压比较器后进行电平转换。检测电路如图3-4所示：其中P1代表红外发射管，P2代表红外接收管
图3-4 液滴液位检测电路